V. Основи теплопередачі
5.1. Способи поширення тепла та види теплообміну.
Робота всіх теплообмінних апаратів основана на теплопередачі, де в залежності від їх призначення необхідно інтенсифікувати або зменшити кількість теплоти, що передається. Тому в роботі вчителя трудового навчання і технологій виробництва важливу роль відіграє знання основних закономірностей процесів тепломасообміну.
Теплопередачею називається розділ, що вивчає закономірності процесів теплообміну між тілами і поширення теплоти в самих тілах. Це необхідно для керування тепловими потоками. Необхідною і достатньою умовою теплообміну є різниця температур. Перенос теплоти може здійснюватися трьома способами: теплопровідністю, конвекцією і випромінюванням або радіацією. Ці форми теплообміну різні за своєю фізичною природою і описуються різними законами.
Теплопровідність — процес поширення енергії в твердому тілі при безпосередньому дотику частин тіл, що мають різну температуру. В металах велику участь у теплопровідності беруть вільні електрони. В рідинах та газах існує молекулярний процес передачі тепла. Таким чином, теплопровідність — це молекулярний перенос теплоти в суцільному середовищі, зумовлений наявністю градієнта температури. При теплопровідності перенос теплоти здійснюється за рахунок співударів та дифузії частинок тіла, а також квантів пружних коливань їх кристалічної ґратки — фононів — при макроскопічній нерухомості всієї маси речовини, тобто вона має атомно-молекулярний характер не пов'язаний з макроскопічним переміщенням в тілі. В чистому вигляді теплопровідність можна спостерігати лише в твердих тілах і в тонких нерухомих шарах рідини та газу. В металах і напівпровідниках теплообмін здійснюється за рахунок співудару і дифузії вільних електронів, а також пружних коливань кристалічної ґратки, тобто в теплопровідність вносять вклад дві складові: електронна і фонова. В металах остання складова низька, в напівпровідниках вона більша, а в діелектриках — є основною. В твердих теплоізоляційних матеріалах, які є діелектриками, механізм теплопровідності зумовлений переносом теплоти фононами - квантами пружних коливань кристалічної ґратки.
Відомо, що при нагріванні тіла кінетична енергія його структурних частинок (вільних електронів, молекул) зростає. Частинки більш нагрітого об'єму тіла співдотикаються при хаотичному русі з сусідніми частинками тіла, віддаючи йому частину своєї кінетичної енергії. Такий процес поширюється по всьому тілу, в результаті чого температура більш нагрітого кінця тіла буде зменшуватися, а в інших ділянках зростатиме до певної величини. Для прикладу, якщо нагріти один кінець металевого стержня, то через певний час температура іншого його кінця також підвищиться. Нагрітий кінець має частинки з
високою кінетичною енергією, які співударяються з іншими і передають частину йому своєї енергії.
Теплоносії - це рідкі або газоподібні речовини, які застосовуються для передачі теплоти від тіч з більшою температурою до тіл з меншою температурою. Вони завжди циркулюють у замкнутих системах і використовуються з метою нагрівання і охолодження в теплових і атомних енергетичних установках, системах теплозабезпечення, обладнанні технологічного призначення то: Іо. Як теплоносії найчастіше використовують гази, водяну пару, воду, а дещо менше — органічні і кремнієвоорганічні сполуки, розплавлені метали, солі, мінеральні масла.
При нагріванні тіла температура його в різних точках буде змінюватися з часом і теплота буде поширюватися від зон з вищою температурою до місць з нижчою температурою. У загальному випадку процес передачі теплоти теплопровідністю в твердому тілі супроводжується зміною температури як в просторі, так і в часі:
(5.1)
де X, у, Z - координати точки; т - час.
Ця функція визначає температурне поле в розглядуваному тілі.
Якщо температура у будь-якій точці тіла змінюється з часом, то температурне поле називається нестаціонарним, а коли температура з часом не змінюється, то поле в даному випадку називають стаціонарним. Поверхня, у всіх точках якої температура однакова, називається ізотермічною. Вектор направлений по нормалі до ізотермічної поверхні в сторону збільшення температури і чисельно дорівнює похідній від температури по цьому напрямку, називають градієнтом температури. За позитивний напрямок градієнта приймається напрямок зростання температури:
(5.2)
Частинна похідна використана тут тому, що в загальному випадку температура може змінюватися не лише у просторі, а і у часі (при нестаціонарному режимі).
Тепловий потік — це кількість теплоти, яка передається через довільну поверхню за одиницю часу.
(5.3)
де Q - кількість теплоти в Дж.
Тепловий потік утворюється в результаті різниці температури поверхонь, які співдотикаються,
Питомий тепловий потік або густина теплового потоку — це кількість теплоти, яка передається за одиницю часу через одиницю площадки, яка перпендикулярна напрямку потоку в даній точці або тепловий потік, віднесений до одиниці повеохні тіла:
(5.4)
Величина q є вектором, напрям якого протилежний до напрямку градієнта температури, тому що теплова енергія самостійно поширюється лише в сторону зменшення температури (рис.5.1).
Рис.5,1. До пояснення температурного градієнта і теплового потоку.
Конвекція - процес переносу (теплоти) енергії при переміщенні рідини або газу із області із однією температурою в область із іншою температурою. Цей процес проходить тим швидше, чим більші швидкості руху рідини чи газу. Поряд з конвекцією в рідинах та газах завжди буде здійснюватися передача теплоти через теплопровідність.
Одночасний перенос теплоти конвекцією і теплопровідністю називається конвективним теплообміном. Він може бути вимушеним та вільним (природнім за рахунок різних питомих густин газу).
Випромінювання (променевий теплообмін) - процес передачі енергії електромагнітними хвилями інфрачервоного діапазону. Тут відбувається подвійне перетворення енергії — більш нагріте тіло випромінює електромагнітні хвилі, а менш нагріте тіло поглинає енергію цих хвиль і нагрівається.
Як правило, теплообмін між тілами здійснюється всіма трьома способами одночасно, один із яких може домінувати. Процеси теплообміну можуть бути стаціонарними і нестаціонарними.